Báo cáo Khoa học Quy trình tính toán thiết kế hệ thống băng tải ống

Science & Technology Development, Vol 11, No.02- 2008 Trang 18 QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BĂNG TẢI ỐNG Nguyễn Thanh Nam ĐHQG-HCM (Bài nhận ngày 15 tháng 12 năm 2006, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 26 tháng 12 năm 2007) TÓM TẮT: Hệ thống băng tải ống là bước đột phá trong kỹ thuật vận chuyển băng tải nhờ các ưu điểm nổi bật như: khả năng vận chuyển xa, linh hoạt trong các địa hình mà các băng tải truyền thống bị giới hạn như uốn cong, dốc, không làm hao phí vật liệu vận chuyển trước các điều kiện của thời tiết và không làm ô nhiễm môi trường xung quanh, thiết kế nhỏ gọn, chiếm ít diện tích lắp đặt nhưng công suất làm việc thì không hề thua kém các băng tải truyền thống. Do băng tải ống tương đối mới, chưa có các chuẩn mực được công nhận nên việc tính toán thiết kế vẫn phải sử dụng nhiều giá trị thực nghiệm tốn kém làm hạn chế khả năng tính toán thiết kế các hệ thống băng tải ống trong thực tế. Thông qua công trình này tác giả đề xuất một quy trình tính toán thiết kế băng tải ống dựa trên các công thức tính toán đối với băng tải máng đã được Hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị băng tải (CEMA) công nhận, có xét đến những đặc điểm khác nhau về phương diện chịu tải và các công thức xác định các thông số giới hạn của băng tải ống[3], xây dựng phần mềm tính toán thiết kế và kiểm chứng kết quả thiết kế thông qua mô hình hệ thống băng tải ống vận chuyển xi măng. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Băng tải được sử dụng để vận chuyển các vật liệu rời từ rất lâu nhờ những ưu điểm là có cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển vật liệu theo phương nằm ngang, nghiêng với khoảng cách lớn, làm việc êm, năng suất cao và tiêu hao năng lượng không lớn lắm. Tuy nhiên trong quá trình sử dụng băng tải máng trong công nghiệp (vận chuyển xi măng, khai thác than, đá, trong các nhà máy nhiệt điện, bến cảng…) người ta thường gặp phải những vấn đề: 1) Có hao hụt vật liệu vận chuyển do rơi vãi trên đường vận chuyển làm dơ bẩn và gây ô nhiễm môi trường; 2) Khi vận chuyển ở những khoảng cách dài và không thẳng đòi hỏi phải có thêm những trạm trung chuyển tốn kém; 3) Không cho phép vận chuyển ở những nơi có sự chênh lệch lớn về độ cao; 4) Vật liệu vận chuyển tiếp xúc và chịu ảnh hưởng trực tiếp của môi trường và thời tiết (ẩm ướt, bụi…). Những hạn chế trên có thể giải quyết bằng các băng tải ống [1], [2], [4] nhờ việc vận chuyển vật liệu bằng cách cuốn chồng các cạnh băng thành hình ống tròn với việc sử dụng các con lăn bố trí theo hình lục giác. Băng tải sẽ bao lấy vật liệu vận chuyển nên bảo vệ được vật liệu khỏi tác động của môi trường, đồng thời cũng bảo vệ môi trường khỏi ảnh hưởng của vật liệu. Băng tải ống cũng loại trừ nhu cầu sử dụng các trạm trung chuyển để thay đổi hướng vận chuyển do băng tải ống có khả năng uốn cong với bán kính nhỏ hơn nhiều so với băng tải máng nhờ được ép chặt tất cả các phía bằng các bộ con lăn dẫn hướng ( min 2 z DER σ= ), băng tải ống cũng cho phép vận chuyển ở những nơi có sự chênh lệch lớn về độ cao (β≥30o), do đó băng tải ống là lựa chọn tối ưu nhất để vận chuyển các vật liệu rời như tro bụi dễ bay, đá vôi, than đá, than non, sản phẩm từ dầu mỏ, xi măng, phân bón… Nguyên lý làm việc của băng tải ống (Hình 1.1): Băng tải ống bao gồm tấm băng được đặt trên tang dẫn động, tấm băng này vừa là bộ phận kéo vừa là bộ phận tải liệu. Tấm băng chuyển động được nhờ lực ma sát xuất hiện khi tang dẫn quay. Động cơ điện cùng với hộp giảm tốc và các nối trục là các cơ cấu truyền động cho băng tải ống. Để nạp liệu vào băng tải ta dùng phễu nạp liệu, từ băng tải vật liệu được tháo ra qua phễu tháo liệu. Muốn làm sạch băng tải có thể sử TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 02 - 2008 Trang 19 dụng bộ phận nạo. Tấm băng được căng nhờ bộ phận căng lắp ở tang cuối hệ thống hay ở nhánh không tải. Tất cả các cụm chi tiết trên được lắp trên một khung đỡ. Băng được đỡ và định hình dạng ống nhờ các bộ con lăn dẫn hướng. Khi hệ thống làm việc, băng tải dịch chuyển trên các giá đỡ trục lăn mang theo vật liệu từ phễu nạp đến phễu tháo liệu. Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống băng tải ống 1- Tang dẫn; 2- Phễu cấp liệu; 3- Con lăn đỡ băng tải; 4- Con lăn định hình ống cho băng tải; 5- băng tải; 6- Hệ thống truyền động; 7- Phếu tháo liệu; 8- Tang bị dẫn; 9- Chân giá; 10- Con lăn cuốn ống; 11- Cụm điều chỉnh sức căng băng. Phương pháp tính toán thiết kế băng tải ống: Do băng tải ống tương đối mới, chưa có các chuẩn mực được công nhận nên việc tính toán thiết kế nên vẫn phải sử dụng nhiều giá trị thực nghiệm tốn kém làm hạn chế khả năng tính toán thiết kế các hệ thống băng tải ống trong thực tế. Thông qua công trình này tác giả đề xuất một quy trình tính toán thiết kế băng tải ống dựa trên các công thức tính toán đối với băng tải máng đã được hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị băng tải (CEMA) công nhận, có xét đến những đặc điểm khác nhau về phương diện chịu tải (sự khác biệt chủ yếu giữa hai loại băng tải này là một bên thì băng tải được đỡ và định dạng máng nhờ các bộ con lăn dẫn hướng còn bên kia thì được đỡ và định dạng ống) và các công thức xác định các thông số giới hạn của băng tải ống[3], xây dựng phần mềm tính toán thiết kế và kiểm chứng kết quả thiết kế thông qua mô hình hệ thống băng tải ống vận chuyển xi măng. 2. QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BĂNG TẢI ỐNG Sơ đồ tính toán một hệ thống băng tải ống được cho trên hình 2.1. Hình 2.1: Sơ đồ động của hệ thống truyền động băng tải ống Science & Technology Development, Vol 11, No.02- 2008 Trang 20 Để có thể tính toán thiết kế hệ thống băng tải ống, ta chia bài toán thành các bước thực hiện: Bước 1: Khảo sát thực địa Tiến hành khảo sát để xác định các yêu cầu đối với vật liệu vận chuyển như năng suất vận chuyển, vận tốc băng tải, tổng chiều dài vận chuyển, chiều cao nâng, khoảng cách theo phương ngang, kích thước các đoạn cong… Bước 2: Xác định thông số ban đầu và các giá trị tương ứng của chúng STT Các thông số ban đầu của băng tải ống Ký hiệu 01 Năng suất (tấn/h) G 03 Chiều dài băng tải (m) LB 04 Số lớp sợi trong băng tải J 05 Khối lượng riêng vật liệu làm băng tải 1ρ 06 Khối lượng riêng vật liệu vận chuyển 0ρ 07 Tỉ lệ điền đầy ống (%) γ 08 Vận tốc băng tải (m) Vo 09 Kích thước hạt (mm) δ 10 Góc lệch trong mặt phẳng ngang của đoạn i (độ) αi 11 Góc nâng theo phương thẳng đứng của đoạn i (độ) βi 12 Bán kính cong của đoạn i (m) Ri 13 Hệ số ma sát của vật liệu C2 14 Hệ số ma sát của các con lăn C1 15 Góc nghiêng của tấm gạt với chiều chuyển động của băng θ Bước 3: Xác định các thông số đầu ra của hệ thống băng tải ống STT Các thông số đầu ra của băng tải ống Ký hiệu 01 Năng suất (tấn/h) G 02 Chiều rộng của băng tải (m) B 03 Chiều dày của băng tải (m) s 05 Đường kính tang dẫn và bị dẫn (m) Dt1; Dt2 06 Chiều dài tang dẫn và bị dẫn (m) Lt 07 Trọng lượng 1m băng (N) Wb 08 Trọng lượng vật liệu phân bố trên 1m băng (N) Wm 09 Trở lực nhánh có tải (N) Q1 10 Trở lực nhánh không tải (N) Q2 11 Tải trọng phụ do cuốn ống (N) Fp 12 Tải trọng phụ do uốn cong ống (N) Fci 13 Diện tích thiết diện ống (m2) S0 14 Diện tích thiết diện dòng vật liệu trên băng tải (m2) S 15 Lưu lượng dòng vật liệu vận chuyển (m3/s) Q 16 Chiều dài vận chuyển (m) L 17 Số đoạn cong N 18 Chiều dài đoạn i theo đường tâm (m) Li 19 Bán kính cong của đoạn I (m) Ri 20 Công suất khắc phục trở lực nhánh có tải (KW) N1 21 Công suất khắc phục trở lực nhánh không tải (KW) N2 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 02 - 2008 Trang 21 22 Công suất cần thiết vận chuyển theo phương ngang (KW) N3 23 Công suất tiêu hao làm sạch băng (KW) N4 24 Công suất cần thiết nâng vật liệu lên độ cao H (KW) N5 25 Công suất tiêu hao để cuốn băng thành ống (KW) N6 26 Công suất tiêu hao để uốn ống tại các đoạn cong (KW) N7 27 Công suất dẫn động băng tải (KW) P 28 Kích thước phễu cấp liệu (m) LxWxH 29 Kích thước phễu tháo liệu (m) LxWxH 30 Đường kính ống (mm) D 31 Đường kính các con lăn (mm) d 32 Khoảng cách giữa các bộ con lăn (m) Si 33 Chiều dài đoạn chuyển tiếp (m) Lct 34 Chiều dài tối thiểu của băng tải (m) Lmin 35 Khoảng cách giữa các bộ con lăn trong đoạn cong (m) Sci 36 Bán kính cong tối thiểu (m) Rmin Bước 4: Trình tự tính toán giá trị các thông số đầu ra của hệ thống băng tải ống: 1) Tính lưu lượng: 03.6 GQ ρ= (2.1) 2) Tính diện tích thiết diện dòng vật liệu S: 0 QS V = (2.2) Và 0 SS γ= (2.3) 3) Xác định đường kính ống: 04SD π= (2.4) Chọn chiều rộng băng B ( 2B Dπ> ) 4) Tính bán kính cong nhỏ nhất theo công thức [3]: min 2 z DER σ= (2.5) Trong đó E là mô đun đàn hồi. 5) Tính độ dài đoạn chuyển tiếp [3]: 3 3 2 243 118Lct 113 12 D D s E k ππ⎛ ⎞+⎜ ⎟⎝ ⎠= (2.6) 6) Xác định trở lực của bộ con lăn dẫn hướng: iW .iG g= (2.7) Trong đó Gi là khối lượng của bộ con lăn dẫn hướng 7) Xác định trọng lượng của 1m băng Wb: b 1W . . .B s gρ= (2.8) Science & Technology Development, Vol 11, No.02- 2008 Trang 22 8) Trọng lượng vật liệu phân bố trên 1m băng Wm (N/m): m 0 W 3,6. G V = (2.9) 9) Lực cản nhánh có tải q1 trên 1m chiều dài băng: i 1 1 b m i W. W W 1500 S q C ⎛ ⎞= + +⎜ ⎟⎝ ⎠ (2.10) 10) Lực cản nhánh không tải trên 1m băng q2: i 2 1 b i W. W 1500 S q C ⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠ (2.11) 11) Tải trọng phụ do cuốn ống Fp:Dựa vào thực nghiệm người ta đã xây dựng mối liên hệ giữa tải trọng phụ với đường kính ống qua bảng sau: Đường kính ống (mm) Tải trọng phụ do cuốn ống Fp (N) 150 225 200 275 250 320 300 360 350 400 400 450 500 550 600 590 700 680 850 820 12) Tải trọng phụ do uốn cong ống (Fci) phụ thuộc vào lực uốn (Fui) và độ bóp ống iψ : 6. . .10 2ui i DF E B s R = (2.12) Tải trọng này cũng được xác định bằng thực nghiệm trong bảng sau [1]: Tải trọng trên băng tải Fc khi lực uốn băng Fu (N) Độ bóp ống 450 900 2250 3600 4500 6800 9000 11350 13600 5o 14 22 29 36 44 10o 15 23 29 44 58 73 87 15o 22 35 44 65 87 109 131 20o 12 29 46 58 87 116 145 174 25o 14 36 58 72 108 144 181 217 30o 9 17 43 69 86 130 173 216 259 35o 10 20 50 80 100 150 201 251 301 40o 11 23 57 91 114 171 228 285 342 45o 13 26 64 102 128 191 255 319 383 50o 14 28 70 113 141 211 282 352 423 60o 17 34 83 133 167 250 334 417 500 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 02 - 2008 Trang 23 70o 19 38 96 153 191 287 383 478 574 80o 21 43 107 172 214 322 429 536 643 90o 24 47 118 189 236 354 472 590 708 13) Công suất khắc phục trở lực nhánh có tải: 3 1 1 10 . . n o i iN V q L −= ∑ (2.13) 14) Công suất cần thiết để khắc phục trở lực nhánh không tải: 3 2 2 1 10 . . n o iN V q L −= ∑ (2.14) 15) Công suất cần thiết để vận chuyển vật liệu theo phương ngang: 3 3 3 010 . . . os .LN q V c β−= (2.15) với L là chiều dài vận chuyển đoạn ống thẳng, q3- trở lực vật liệu vận chuyển trên 1m chiều dài theo phương ngang: 3 2 m.Wq C= 16) Công suất tiêu hao cho tấm gạt: 3 4 1,1.10 . . .N G B tgθ−= (2.16) 17) Công suất cần thiết để nâng vật liệu lên độ cao H: 3 5 m 510 .W . .N V H −= (2.17) Với V5- vận tốc nâng vật liệu theo phương thẳng đứng 5 0.sinV V β= 18) Công suất tiêu hao để cuốn băng thành ống: 3 6 10 . . .p oN k F V −= (2.18) 19) Công suất tiêu hao để uốn băng tải tại những đoạn cong: 3 7 1 10 . n ciN F −= ∑ (2.19) 20) Công suất dẫn động băng tải ống: ( )1 2 3 4 5 6 71P N N N N N N NK= + + + + + + (2.20) Science & Technology Development, Vol 11, No.02- 2008 Trang 24 Hình 2.2:Giao diện nhập thông số ban đầu 3. PHẦN MỀM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BĂNG TẢI ỐNG Xây dựng phần mềm tính toán: Sơ đồ tính toán thiết kế hệ thống băng tải ống được xây dựng như trên hình 2.3. Phần mềm tính toán được viết bằng ngôn ngữ Visual C++ thực hiện các chức năng cơ bản như tính toán công suất dẫn động, khoảng cách giữa các bộ con lăn, chiều dài đoạn chuyển tiếp, bán kính cong các đoạn uốn, góc nâng và các thông số giới hạn khác của bộ truyền. Giao diện của phần mềm gồm những phần sau: Thông số ban đầu được nhập vào giao diện nhập số liệu như trên hình 2.2.Sau khi nhập đủ các thông tin, ta chọn calculate, nếu các thông số đầu vào hợp lệ, chương trình sẽ bắt đầu tính toán. Sau khi tính toán xong chương trình xuất kết quả ra các giao diện khác nhau: các thông tin về hệ thống sẽ được xuất ra trên giao diện ‘Thông tin cơ bản’ (hình 2.4); giao diện ‘Công suất’ cho ta thông tin về công suất của hệ thống cùng với các tải trọng phụ và hệ số cản (hình 2.5); cuối cùng là các hệ thống truyền động cho băng tải ống có thể tìm thấy trên giao diện ‘Truyền động’ như trên hình 2.6. TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 02 - 2008 Trang 25 Science & Technology Development, Vol 11, No.02- 2008 Trang 26 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 02 - 2008 Trang 27 Science & Technology Development, Vol 11, No.02- 2008 Trang 28 Hình 2.3: Sơ đồ tính toán thiết kế hệ thống băng tải ống TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 02 - 2008 Trang 29 Hình 2.4: Giao diện thông tin cơ bản Hình 2.5: Giao diện tính công suất Hình 2.6: Giao diện tính hệ thống truyền động Science & Technology Development, Vol 11, No.02- 2008 Trang 30 Kết quả tính toán thiết kế mô hình vận chuyển xi măng: 1. Dữ liệu đầu vào: - Vật liệu vận chuyển: Xi măng. - Năng suất băng tải: P=45t/h. - Vận tốc băng: v=0,4m/s. - Độ điền đầy: γ=60%. - Loại băng: băng vải cao su. - D=200mm; d=35mm; k=3,5; Fct=4,5kN; Fkt=2kN; Ft=0,7kN. 2. Tính toán các thông số của băng: - Chiều dài đoạn chuyển tiếp (transition length): T=3m với 6 bộ con lăn. - Khoảng cách giữa các bộ con lăn trên đoạn băng thẳng (Idler spacing): ds=1,2m. - Khoảng cách giữa các bộ con lăn trên đoạn băng cong [dc], với bán kính cung ôm R=30m dc=0,6.ds=0,72 m. - Các góc tạo bởi đoạn cong: + Góc tạo bởi hình chiếu của băng trên mặt phẳng nằm ngang so với phương ban đầu: 30 độ. + Góc tạo bởi hình chiếu của băng trên mặt phẳng thẳng đứng so với phương ban đầu: 30 độ. + Suy ra góc trong không gian của băng so với phương ban đầu: 40 độ. - Chiều dài 1 cung cong: 20,5m, phân bố 28 bộ con lăn, khoảng cách 0,707m. - Chiều dài băng được giữ ở dạng ống: Lc=2.20,5=41m. - Tổng chiều dài 1 nhánh của băng: L=Lc+2.T =47m - Tổng số bộ con lăn trên 1 nhánh: N=(6+28).2+1=69. - Chiều cao của băng: H=9,56m. - Chiều dài hình chiếu của băng: Ld = 44m. - Hình chiếu bề ngang của băng: Ln=9,56m. - Con lăn: Đường kính ngoài: Dcl=65mm; Đường kính trục: dcl=20mm; Trọng lượng phần quay: pcl=10N; Tang: Đường kính ngoài: Dt=200mm; Đường kính trục: dt=65mm; Trọng lượng phần quay: pt=700N. - W0=9,3477kN; Wv0=9,2002kN; Wr0=2,6475kN; Wv1=4,6475kN; Wr1=4,7002kN; Ftd=0,0659kN; Ftp=0,0528kN - Lực kéo băng tải cần thiết: Fk=Wr0.(k-1)=6,6186kN=7kN - Công suất tính toán: Ptt=Fk.v0=3.5kW Mô hình băng tải ống vận chuyển xi măng được chế tạo thành công theo thiết kế như trên hình 2.5. TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 11, SỐ 02 - 2008 Trang 31 Hình 2.5: Mô hình băng tải ống 4. KẾT LUẬN Băng tải ống là một phương tiện vận chuyển vật liệu rời thông qua một ứng dụng công nghệ mới, sạch, chiếm ít diện tích nhờ loại trừ các trạm trung chuyển. Lợi ích của băng tải ống là hiển nhiên, sự giảm thiểu rơi vãi và bụi bặm, khả năng vận chuyển xa, linh hoạt trong các địa hình mà các băng tải truyền thống bị giới hạn như uốn cong, dốc, không làm ô nhiễm môi trường xung quanh, thiết kế nhỏ gọn nhưng công suất làm việc thì không hề thua kém các băng tải truyền thống là rõ ràng. Một quy trình tính toán thiết kế băng tải ống dựa trên các công thức tính toán đối với băng tải máng đã được hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị băng tải (CEMA) công nhận, có xét đến những đặc điểm khác nhau về phương diện chịu tải và các công thức xác định các thông số giới hạn của băng tải ống và một phần mềm tính toán thiết kế và kiểm chứng kết quả thiết kế thông qua mô hình hệ thống băng tải ống vận chuyển xi măng sẽ giúp tăng cường khả năng tính toán thiết kế và ứng dụng các hệ thống băng tải ống trong thực tế. Việc chế tạo thành công mô hình băng tải ống cũng khẳng định khả năng chế tạo thành công hệ thống băng tải ống trong nước mà không phải nhập ngoại. Công trình nhận được sự cộng tác tích cực của nhóm SVVP2003, tác giả xin chân thành cám ơn. Science & Technology Development, Vol 11, No.02- 2008 Trang 32 DESIGN PROCESS OF THE PIPE CONVEYOR SYSTEMS Nguyen Thanh Nam VUN-HCM ABSTRACT: Pipe conveyor systemis a breakthrough in the bulk solids handling technology, thanks to its advantages: long distance handling, flexible in the difficult terrains where normal conveyors can not do such as curved and sloping roads, material saving and environmental protection, neatly arranged but not less output capacity. For the pipe conveyors design, until now we have to use a number of experimental data that limits our activities in the design of many pipe conveyor systems in practice. Through this paper, the author would like to introduce the modified design process of the common one used by CEMA, considering special characters of the pipe conveyors; the software for pipe conveyor parameters calculation, which are verified by the model for cements transportation. The process will help us to complete a design for different pipe conveyor systems. Key words: Conveyor, Pipe conveyor, Bulk solids handling, Handling technology, Design process. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Maton A.E., Turbular Pipe Conveyor Design using a standard fabric belt, Bulk Solids Handling Journal, Vol.20, No:1, Jan/Mar, p. 57-65, (2000). [2]. Wachter D., Innovative Handling of Tailings using the Pipe Conveyor System, Bulk Solids Handling Journal, Vol.10, No:3, Aug, 86-95, (1990). [3]. Nguyễn Thanh Nam, Numerical model of the critical parameters in the system of pipe conveyor, Agricultural Science Journal, (2006). [4]. Nguyễn Thanh Nam, Nghiên cứu triển khai thiết kế chế tạo băng tải ống, Báo cáo nghiệm thu đề tài NCKH cấp thành phố, (2004).